大直徑定位套加工工藝設計

李 健 何 悅 梁心淳

（西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710200）

超大采高智能化采煤機順利出產，離不開每一個零部件的精益制造，在該超大采高采煤機搖臂設計中，為保證結構的合理性，搖臂行星減速部位設計有一定位套（圖1），該定位套是在搖臂一、二級行星減速機構中對搖臂殼體與大齒圈之間起到距離支撐，最主要是作為減速機構內部與機體外部的密封隔離。該部位由于其結構的特殊性，設計尺寸外圓達1120 毫米，內孔為1060 毫米，壁厚只有30 毫米，且外圓設計有雙密封槽，該零件屬于超大薄壁環類零件，在制造過程中裝夾、找正、定位都會影響零件精加工尺寸，極易在加工環節中產生變形。因此，為保證該機型能夠順利出產，就必須做到每一個關鍵零部件的良品率達100%，有效控制定位套的變形誤差在允許范圍之內，通過一種工藝方法，實現超大薄壁類零件加工，能夠通過車削保證其尺寸精度，做到產品各尺寸要素全部合格，就必須探索一種最優的工藝制造方法。

圖1 定位套

1 零件變形分析

該零件外徑Φ1120h6（0-0.066），內孔Φ1060，高度58（0-0.2），密封槽尺寸Φ1108.3×9.5+0.250，壁厚30，其尺寸精度要求較為嚴格，公差范圍較小，為保證零件尺寸及公差要求，必須考慮在車床加工時影響尺寸變化的因素[1-2]。

1.1 此零件的加工難度是確保外圓的圓度與密封槽的同軸度、兩端面與軸線的垂直度等達到技術要求。

1.2 零件毛坯材料為40Cr，鍛造制坯，毛料內應力較大。

1.3 壁厚尺寸較薄，且外圓設計有雙密封槽，因此在車床切削過程中，零件與刀具產生擠壓、摩擦，增加了零件內部的加工產生的切削熱、產生的殘余應力會對零件尺寸變化產生影響[3]。

1.4 薄壁零件剛性較差，在裝夾及定位過程中夾緊力和承受力的作用點選擇不合適，就會增加薄壁零件的內應力。壓緊力過大，造成零件裝夾變形，造成圓度大范圍超差；壓緊力過小，在車削時有可能使零件松動而報廢，且大直徑零件在裝夾過程中受到的夾緊力更大，其變形程度更為嚴重[4]。

綜上，該大直徑薄壁件不適宜直接使用車床卡盤進行夾持。從其零件設計結構分析，軸向尺寸與壁厚尺寸較為一致，可選用軸向裝夾，保證其軸向有較強的剛性，且軸向裝夾可使零件在圓周方向受力均勻，能夠承載一定的壓力。所以采用軸向裝夾，可大大減小工件的彈性變形。

2 工藝優化措施

2.1 設計工藝方案

該零件屬于超大型薄壁環類零件，徑向加工尺寸與壁厚比差異較大，極難保證其尺寸精度，車削過程中，產生的切削應力和裝夾應力以彈性能儲存在工件內部以及其他熱處理方式將熱能以熱應力的形式存儲在工件內部，過程中產生的應力方式對零件的較小公差產生嚴重的威脅，對零件良品率有著極大的影響。結合以往加工數據及零件變形情況分析，雙密封槽去除外圓較大一部分尺寸，晶粒重新排布，都是因此變形的極大因素，在該零件的工藝設計過程充分考慮各種變形因素的控制方法，分多步車削，熱時效去除內部殘余應力，并在精車時設計裝夾胎具，輔助卡爪，故設計以下工藝路線：“粗車-半精車-時效-半精車-預鉆工藝孔-精車”。

2.2 設計工藝孔

該零件設計有4-M12 螺孔，根據設計胎具思路，可將其預先不加工到尺寸，借助孔分布特點，將該孔作為零件的裝夾工藝孔使用，該工藝孔的作用既不影響零件正常尺寸，也可為后序加工提供新的工藝方法，便于設計工裝和零件裝夾，從而實現超大薄壁類零件加工過程中變形較小，在車削過程中保證其尺寸精度[5]。

2.3 設計裝夾胎具[6]

在零件分析中提到，可將徑向裝夾改為軸向裝夾，因此需要在設計一種T 型裝夾胎具（圖2），在胎具豎直方向凸臺上，打一孔，用以固定零件豎直方向的跳動，在胎具水平方向打一孔，與零件上4 個孔聯通，用以固定零件，將輔助工裝通過工作臺卡槽與4 個工藝孔聯接，將徑向定位轉變為軸向定位，減少外圓受力。

圖2 裝夾胎具樣圖及現場圖

該T 形裝夾胎具的設計時，充分考慮在工作臺上的裝夾及使用原理，在裝夾時需要4 件該胎具，因此為保證零件兩端面的平行度要求，需要上平面磨床，先將胎具A 面磨至同一平面，再反面，將4 件胎具置于平面磨床，將B 面一次磨成，保證A、B面的厚度尺寸一致。保證胎具的精度后，裝夾時，才能有效保證零件裝夾及加工的精度[7]。

3 工藝實施步驟[8]

3.1 粗車

按照工藝路線制定方法，粗車時考慮調質引起的零件得不規則變形，充分保證零件留足夠余量來滿足后序加工，根據工藝路線設計的粗車、調質、時效等步驟的余量需求，所以在零件的外圓、內孔單邊均留4mm 余量，為后序加工儲備尺寸。

3.2 半精車

半精車過程在調質后，時效前進行，一是為了去除較大余量，二是必須滿足熱時效帶來的較小尺寸變化，在半精車過程中，最主要的就是將雙密封槽Φ1108.3×9.5+0.250進行預先粗車至Φ1111×6，將外圓、內孔、厚度各部位單邊均留余量1.5mm。

3.3 時效

半精車后，轉序熱時效，在520℃-550℃爐中保溫3-4 小時，再慢慢升溫、保溫、降溫的過程就是將零件加熱到彈塑性變形的轉變溫度，并保持一定時間，使零件的殘余應力得到松弛，然后緩慢降溫，使工件在冷卻之后處于低應力狀態，目的是去除半精車時切削應力，為后序精車減小加工變形。

3.4 半精車

時效后，將零件裝夾于卡盤，再一次半精車，此時車好內孔Φ1060，厚δ58 尺寸，外圓單邊留余量0.5mm。

3.5 預鉆工藝孔

將原4-M12 底孔加工成，暫不加工螺紋，將此底孔用作工藝孔，便于工裝使用。

3.6 精車（圖3）

圖3 精車裝夾圖

裝夾時采用卡盤四爪較輕支撐內孔Φ1060，同時將輔助工裝通過工作臺卡槽與4 個工藝孔聯接，將徑向定位轉變為軸向定位，減少外圓受力，同時在找正過程中，將外圓及端面打表跳動至0.01mm 范圍內，車削時選用95°高合金車刀桿，減小在車削過程中產生的震顫，選用85°菱形涂層，R0.2 刀尖刀片，保證在精加工過程中尺寸精度及被加工面的表面粗糙度，降低轉速，多步進給，實現零件外圓及密封槽車削。

4 結論

按照以上加工步驟，完成整批零件的加工，通過外徑千分尺檢測，外周跳動小于0.015mm，外圓尺寸公差符合設計要求，雙密封槽與外圓的同軸度得到極好控制，未超出設計與使用要求；該工藝方法的應用借助零件自身孔位，巧妙改變裝夾方法，將零件徑向裝夾轉換為軸向裝夾，減少圓周夾緊力，減少了薄壁類零件的徑向變形；為工藝裝備制造提供新的經驗方法，掌握輔助工裝設計原理，巧妙運用與實際加工過程。